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Flüssigkeitsbehälter aus Stahlbeton mit schlaffer oder vorgespannter
Bewehrung Bei den bisher ausgeführten kreiszylindrischen Wasserbehältern wird der
horizontale Wasserdruck je nach den Anschlußbedingungen zwischen der kreiszylindrischen
Behälterschale und .der Sohl-bzw. Deckenplatte (oder Kuppel) ganz oder zum großen
Teil durch Ringzugkräfte der Behälterschale aufgenommen. Dabei wurde die Behälterschale
so dimensioniert, daß von einer Beanspruchung des Betons auf Ringzug völlig abgesehen
und die gesamte Ringzugkraft von der schlaff eingelegten Armierung aufgenommen wurde.
Im Hinblick auf die Gefahr vön Haarrissen in der Behälterschale wurde angestrebt,
die je nach Betonqualität verschiedene Betonzug£estigkeit nicht zu überschreiten.
Daraus ergaben, sich bei höheren Behältern relativ große Wandstärken der Behälterschale.
Mit der Einführung von .Vorspannverfahren, insbesondere bestimmter Wickelverfahren,
wurde es nun möglich, die Wandstärken der Behälterschalen erheblich herabzusetzen,
ohne die Rissesicherheit zu beeinträchtigen.
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In statischer Hinsicht wurden die bisher ausgeführten Behälter mit
schlaffer -oder vorgespannter Armierung im allgemeinen nach. zwei verschiedenen
Systemen ausgeführt, die sich durch die Verbindung zwischen der kreiszylindrischen
Behälterschale und der Sohlplatte unterscheiden. Bei der ersten, statisch bestimmten
Ausführungsart nach
Fig. r wird die Behälterschale a in einer entsprechend
ausgebildeten, kreisrunden, als Dehnungsfuge wirkenden Rinne in der Sohlplatte g
auf dieselbe gestellt. Bei der zweiten Ausführungsart nach Fig. a wird die Behälterschale
a in die Sohlplatte g voll eingespannt. In beiden Fällen ergeben sich sowohl für
die Herstellung als auch--für die Dichtigkeit dieser Behälter erhebliche Schwierigkeiten
und Nachteile.
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Bei der ersten Ausführungsart nach Fig. r muß eine ein Spiel der Behälterschale
bei Vorspannung odet Wasserfüllung gewährleistende Fuge vorgesehen werden, die mit
einer Dichtung 1, verschlossen wird. Das Spiel der Kräfte läßt sich bei dieseln
Behälter trotz seiner scheinbar klaren statischen Verhältnisse schlecht erfassen,
da bei jeder Verschiebung.des Fußkreises der Behälterschale durch Reibung Randkräfte
R (Fig.3) geweckt werden, die naturgemäß durch eine gegebenenfalls hinzukommende
Erdüberschüttung noch vergrößert werden können. Diese Randkräfte R erzeugen nun
aber in der Behälterschale in Richtung der Erzeugenden (v g1. Fig. 3), mehr oder
weniger große Momente % (Längsmomente), die rechnerisch sehr schlecht zu erfassen
sind und in der Behälterschale selbst zu Rissen führen können. Andererseits widerspricht
die Anordnung einer Gleitfuge zwischen Behälterschale d und Sohlplatte g dem im
Stahlbetonbau sonst üblichen monolithischen Zusammenwirken aller Teile, das gerade
im Wasserbau angestrebt und ausgenutzt werden sollte.
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Dieser Nachteil wird zwar bei der zweiten Art (Fig. a) der vorgenannten
bekannten Ausführungen insofern vermieden, als die Behälterschale d voll in die
Sohlplatte g eingespannt wird, jedoch bereitet die Anordnung einer dichten Arbeitsfuge
L in diesem Fall erheblich mehr Schwierigkeiten als bei dem zuerst beschriebenen
System. In der Regel wird es nämlich nicht möglich sein, die Sohlplatte g und die
Behälterschale in einem Arbeitsgang zu betonieren. Für die Ausführung ist es nun
am günstigsten, die Betonienfuge l an :den Anschluß zwischen Behälterschale a und
Sohlplatte g zu legen. Es ist dies aber für die Dichtigkeit und das anzustrebende
monolithische Gefüge zwischen Behälterschale und Sohlplatte insofern sehr nachteilig,
als eine gewisse Schalzeit verstreicht, bis die Behälterschale betoniert werden
kann. Es trifft also an der Betonierfuge frischer Beton auf bereits abgebundenen
älteren Beton. Dazu kommt, daß das Einbringen des Betons in die Schalung der relativ
dünnen Behälterschale je nach der Größe des Behälters aus mehr oder weniger großer
Höhe zu erfolgen hat. Sodann erschwert die schlaffe untere Anschlußarmierung sowie
die konstruktive Längsarmierung sowohl das Einbringen als auch die im Bereich der
Arbeitsfuge l so wichtige Verdichtung des Betons. Im gefüllten Behälter treten aber
gerade hier an der Nahtstelle (Betonierfuge) die größten Längsmomente und der größte
Wasserdruck auf.
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Die angeführten Nachteile dieser bekannten Systeme werden gemäß der
Erfindung durch die im folgenden beschriebene Ausbildung des Behälters vermieden.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß sich bei einem auf
einer starren Ebene ruhenden Behälter, der aus einem dünnen kreiszylindrischen Mantel
und einer dünnen Bodenplatte besteht, im gefüllten Zustand Belastungsverhältnisse
ergeben, die statisch klar und daher rechnerisch erfaßbar sind. Diese Belastung
hat nämlich eine Verformung des Behälters zur Folge, wie sie -in der schematischen
Darstellung nach Fig. q.a durch die Biegelinien h und h' angedeutet
ist. Es tritt also eine Ausbauchung des Behältermantels ein, während sich der Behälterboden
in einer äußeren Randzone von der Breite B von der ebenen Unterlage abhebt. In dem
mittleren Bereich wird hingegen der Behälterboden unter der Wirkung des Flüssigkeitsdruckes
auf der ebenen Unterlage fest angedrückt, so daß er keine Verformung erleidet.
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Die Erfindung beruht auf der weiteren Erkenntnis, daß dieser mittlere
Bereich des Behälterbodens daher mit der ebenen Unterlage starr verbunden und sogar
mit dieser körperlich vereinigt werden kann.
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Es ist an sich eine Anordnung für einen Flüssigkeitsbehälter von großem
Durchmesser mit Blechmantel und einem Boden aus Blech oder Stahlbeton bekannt, bei
welcher ein starrer.Winkelring aus Stahlbeton mit seinem aufrechten Teil den Blechmantel
abstützt, während sein liegender, auf dem Baugrund ruhender ringplattenförmiger
Teil durch den senkrechten Flüssigkeitsdruck belastet und mit dem Behälterboden
verbunden ist. Es ist ferner bekannt, bei einem Flüssigkeitsbehälter aus Stahlbeton
in dem Behälterboden eine ringförmige Dehnungs- und Dichtungsfuge vorzusehen, wobei
die Behälterschale von der äußeren Kreisringplatte des Behälterbodens getragen wird.
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Demgegenüber wird gemäß der Erfindung ein Flüssigkeitsbehälter aus
Stahlbeton mit schlaffer oder vorgespannter Bewehrung, bestehend aus einer Sohlplatte
und einer oben offenen oder mittels einer Platte oder Kuppel geschlossenen Behälterschale,
die an die Sohlplatte mittels einer elastischen Ringplatte angeschlossen ist, in
der Weise ausgebildet, daß die elastische Ringplatte einerseits längs eines äußeren
Kreises, der im folgenden als Stützkreis bezeichnet ist, auf der als starr angesehenen
Sohlplatte gelenkig gelagert und andererseits längs eines inneren Kreises in die
Sohlplatte eingespannt ist, dessen radialer Abstand von dem Stützkreis mindestens
so groß gewählt ist, daß der innere Umfang der Ringplatte an ihrer bei gefülltem
Behälter eintretenden Verbiegung gerade nicht mehr teilnimmt.
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Der Erfindungsgedanke läßt sich durch verschiedene Ausführungsformen
verwirklichen, von welchen einige im folgenden beispielsweise an Hand der Zeichnung
erläutert werden.
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Nach den Fig. q. und 5 ist gemäß der Erfindung eine kreiszylindrische
Behälterschale a an die Sohlplatte g des Behälters mittels einer dünnen, elastischen
Kreisringplatte b von der Breite B derart
angeschlossen,
daß die Kreisringplatte mit der Behälterschale einen monolithischen Bauteil bildet
und mit ihr biegesteif verbunden ist. Durch diese Ausbildung wird erreicht, daß
bei gefülltem Behälter durch den Flüssigkeitsdruck die Kreisringplatte b durch Randkräfte
R, Randmomente M und Oberflächenkräfte p (Flüssigkeitsdruck und Eigengewicht der
Kreisringplatte) beansprucht wird, so daß sie sich im Zusammenwirken mit der Behälterschale
nach der in Fig..5 angedeuteten Biegelinie h' nach oben durchbiegt. Bei leerem Behälter
und V orspannung ergibt sich infolge der Vorspannung analog eine (in Fig.5 nicht
angedeutete) Verbiegung der Kreisringplatte nach unten.
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Die Kreisringplatte ist einerseits längs eines Stützkreises gelenkig
gelagert und andererseits an ihrem inneren Umfang in dem mittleren, erhöhten Teil
g' der Sohlplatte fest eingespannt, wobei die Breite B mindestens so groß gewählt
ist, daB der innere Umfang der Kreisringplatte an ihrer bei gefülltem Behälter eintretenden
Verbiegung gerade nicht mehr teilnimmt. Die Kreisringplatte schließt sich demgemäß
an ihrem inneren Umfang an die Oberseite der Sohlplatte tangential an. Die feste
Einspannung zwischen der Kreisringplatte und dem Teil g' der Sohlplatte wird durch
eine radial verlaufende, durchgehende Armierung gewährleistet, welche die auftretenden
Biegemomente sowie die Zug und Druckkräfte aufnimmt.
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Die freie Durchbiegung der Kreisringplatte nach oben bzw. unten wird
durch eine entsprechende Ausbildung des Behälterfußes f sowie durch eine der Größe
der Durchbiegung angepaßte, sich über den ganzen Bereich der Kreisringplatte erstrekkende
Fuge e gewährleistet. Der unten etwas verdickte Behälterfuß f wird zweckmäßig zur
Erzielung einer besseren Wirkungsweise der elastischen Kreisringplatte b mit einem
längs des Stützkreises verlaufenden kreisförmigen Auflager c versehen, um welches
die Behälterwand in den verschiedenen Lastfällen gelenkartig kippt. Dabei kann dieses
Auflager auch außerhalb des Fußkreises der Mittelfläche der Behälterschale liegen,
wie in Fig. 6 beim Auflager c' gezeigt ist, so daß bei leerem Behälter in der Behälterschale
Momente erzeugt werden, die zu den bei gefülltem Behälter entstehenden Momenten
entgegengesetzt gerichtet sind. Bei entsprechender Anordnung des Auflagers c' entstehen
dann bei gefülltem Behälter in der Behälterschale in Richtung der Erzeugenden keine
Momente m" (Längsmomente). Diese Bauweise ist besonders bei Behältern mit schlaffer
Armierung vorteilhaft.
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Man hat es demnach in der Hand, durch die erfindungsgemäße konstruktive
Ausbildung des Behälteranschlusses an die Sohlplatte mittels einer elastischen Kreisringplatte
den Verlauf der Biegemomente in der Behälterschale günstig zu beeinflussen. Da die
Behälterschale und die Kreisringplatte in einem Zuge betoniert werden können, entsteht
eine günstig liegende Arbeitsfuge zwischen Kreisringplatte und Sohlplatte. Die Fuge
unterhalb der Kreisringplatte kann mit einer elastischen Fugenmasse vergossen und
gut verdichtet werden. Eine weitere Bedeutung kommt der erfindungsgemäßen Ausbildung
insofern zu, als bei einem vorgespannten Behälter eine gegenseitige Beeinflussung
der empfindlichen vorgespannten kreiszylindrischen Behälterschale und der Sohlplatte
weitgehend ausgeschaltet wird. Dies ist besonders wichtig bei schlechtem Baugrund,
bei dem unterschiedliche Setzungen und Verschiebungen insbesondere im Bereich des
Behälterumfanges eintreten können. Infolge der gelenkigen Auflager bzw. c' der Behälterschale
und infolge ihres elastischen Anschlusses mittels der Kreisringplatte an die Sohlplatte
haben die erwähnten Verformungen jedoch geringen Einfluß auf das empfindliche Kräftespiel
der Behälterschale.
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Das Erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung vorgespannter kreiszylindrischer
Flüssigkeitsbehälter. in Schalenbauweise bezieht sich ferner auf die Art der Verteilung
der Vorspannarmierung auf-der Behälterschale. Bei den bisher ausgeführten Flüssigkeitsbehältern
nach den eingangs erwähnten Systemen wird die Vorspannbevvehrung nach einem rein
linearen Gesetz über die Behälterschale verteilt. Dadurch ergibt sich in der Behälterschale
ein dem Kräftebild aus Füllung entgegengesetzt gleicher Kräfteverlauf, so daß im
Gebrauchszustand »gefüllter Behälter« die Behälterschale spannungslos ist. Voraussetzung
hierbei ist, daß die linear verteilte Vorspannarmierung ihrer Größe nach dementsprechend
gewählt wurde und von einem allenfalls noch hinzukommenden Erddruck bei Behältern
mit Erdüberschüttung abgesehen wird.
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Der Nachteil dieser bisher angewandten Anordnung besteht ,zunächst
bei den; Behältern mit in die Sohlplatte eingespannter Behälterschale (Fig. ?) darin,
daß die im Zustand »leerer Behälter« durch die Vorspannung erzeugten Längsmomente
mit den aus Erddruck sich einstellenden Längsmomenten resultierende Momente ergeben,
für welche -selbst wenn die Dicke der Behälterschale an ihrem unteren Ende ausreichen
sollte - auf jeden Fall eine für die Ausführung sehr ungünstige starke Anschlußarmierung
benötigt wird.
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Bei bereits ausgeführten Behältern nach dem obenerwähnten System mit
einer Gleitfuge (Fig. i) zwischen der Behälterschale und der Sohlplatte wurden weit
ungünstigere Kriecherscheinungen der dünnen Behälterschale unter Vorspannung beobachtet
.als bei Behältern mit eingespanntem oder festgehaltenem unteren Rand. Diese Mängel
beruhen auf der bei dieser Ausführung erforderlichen Armierungsverteilung.
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Mit der im folgenden beschriebenen Verteilung der Vorspannbewehrung
auf der kreiszylindrischen Behälterschale von Behältern mit elastischer Kreisringplatte
am unteren Schalenrand lassen sich gemäß der Erfindung die genannten Nachteile der
bisherigen Anordnungen vermeiden. Gegenüber der aus einer linearen Funktion abgeleiteten
Verteilung wird eine gemäß Fig. 7 abgeleitete Verteilung angewandt, die sich durch
Überlagerung zweier sinusförmiger Schwingungen I und II ergibt, von welchen die
eine, II, eine kleinere Amplitude und die
halbe Periode der anderen,
I, hat. Die Amplituden a1 und a2 der beiden Teilschwingungen werden dabei so gewählt,
daß sich die Größe der Ringdruckkräfte aus der so verteilten Vorspannung möglichst
weitgehend an jeder Stelle des Behälters mit der Größe der Ringzugkräfte aus Wasserfüllung
deckt.
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In der Fig.8 sind die Ringzugkräfte n," die Längsmomente mx und die
dazugehörigen Querkräfte q" aus Wasserfüllung allein (also ohne Vorspannung) für
einen Behälter gezeichnet, dessen Behälterschale oben elastisch in die Deckenplatte
eingespannt und unten mittels einer elastischen Kreisringplatte mit der Sohlplatte
verbunden ist. Entsprechend stellt die Fig. 9 die Ringdruckkräfte np die Längsmomente
m" und die Querkräfte q" desselben Behälters mit einer gemäß der Erfindung aufgebrachten
Vorspannung dar. Schließlich ist in Fig. io der Verlauf der Schnittgrößen aus Erddruck
gezeigt.
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Wie aus Fig. i i ersichtlich ist, welche die Überlagerung der Momentenlinien
nach den Fig. 8 und 9 unter Berücksichtigung des in der Zeichnung nicht dargestellten,
sich aus der Deckenbelastung ergebenden Momentenverlaufs zeigt, werden die Ringzugkräfte
aus Wasserfüllung durch die Ringdruckkräfte infolge der erfindungsgemäß verteilten
Vorspannung im Lastfall »gefüllter Behälter« zum größten Teil vollständig überdeckt,
während die Längsmomente nur etwa zur Hälfte abgebaut werden. Im anderen Gebrauchszustand
»leerer Behälter« ergeben sich nach Fig. 12 aus der Überlagerung der Momentenlinien
für die Lastfälle »Vorspannung« (Fig. 9) und »Erddruck« (Fig. io) mit dem aus der
Zeichnung nicht ersichtlichen, von der Deckenbelastung herrührenden Momentenverlauf
Momenten-werte mit ;am unteren: Ende der Behälterschale entgegengesetztem Vorzeichen,
aber immer noch annehmbarem Höchstwert.
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Würde man -nun demgegenüber die bisher übliche, dem Wasserdruck entgegengesetzte,
also linear verteilte Vorspannung ansetzen, so würden zwar im Lastfall »gefüllter
Behälter« keine Längsmomente zu erwarten sein, dagegen würde sich im Gebrauchszustand
»leerer Behälter« ein wesentlich größerer Momentenhöchstwert im unteren Bereich
der Behälterschale ergeben.
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Der beschriebene kreiszylindrische Behälter mit elastischer Kreisringplatte
zum Anschluß der Behälterschale an die Sohlplatte bietet neben der außerordentlichen
Klarheit seiner statischen Verhältnisse und außer seinen ausführungstechnischen
Vorteilen in Verbindung mit der oben beschriebenen Lage der Auflager c bzw, c' als
Drehpunkte und der beschriebenen Anordnung der Vorspannung die Möglichkeit, ein
ausgeglichenes Kräftespiel sowohl im gefüllten wie im leeren Behälter zu erzielen.
Die Ausschläge der Längsmomente »a, nach beiden Richtungen liegen in einem zur Dicke
der Behälterschale besser angepaßten Verhältnis als bei den bisher üblichen Ausführungsarten.
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Die Erfindung beschränkt sich im übrigen nicht auf kreiszylindrische
Flüssigkeitsbehälter, sondern ist mit gleichen Vorteilen auch bei Behältern mit
polygonalem Grundriß anwendbar.